近日，南海海洋所儀器中心聯(lián)合山東科技大學(xué)，成功研發(fā)出基于OpenACC的GPU加速并行POM（Princeton Ocean Model）模式，相關(guān)研究成果以“Parallel Princeton Ocean Model based on OpenACC”為題，發(fā)表在國際知名期刊Environmental Modelling & Software上，該項(xiàng)技術(shù)為高精度海洋數(shù)值模擬與實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)提供了新一代高效能計(jì)算解決方案，南海海洋所高級工程師周巍為論文通訊作者，山東科技大學(xué)碩士研究所生王意寧為論文第一作者，研究團(tuán)隊(duì)還包括山東科技大學(xué)副教授李秉天等科研骨干。
隨著海洋建模對空間分辨率與物理過程復(fù)雜度的雙重需求不斷提升，傳統(tǒng)串行POM的計(jì)算效率已難以滿足實(shí)際應(yīng)用需求。研究團(tuán)隊(duì)通過并行計(jì)算區(qū)域選擇、數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)化和計(jì)算模式調(diào)整等多維度優(yōu)化策略，對經(jīng)典POM代碼實(shí)施系統(tǒng)性重構(gòu)。實(shí)測數(shù)據(jù)顯示，該并行版本在不同時(shí)空尺度的模擬實(shí)驗(yàn)中均實(shí)現(xiàn)45倍加速比，較傳統(tǒng)并行方法展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。值得關(guān)注的是，研究進(jìn)一步揭示了GPU加速性能的關(guān)鍵制約因素——通過引入Nsight Systems性能分析工具，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)存在顯著瓶頸，進(jìn)而針對性優(yōu)化了CPU-GPU間的數(shù)據(jù)傳輸策略，成功將冗余數(shù)據(jù)拷貝降低37.2%。此外，研究對比論證了OpenACC相較于其他并行方案的技術(shù)特性，其獨(dú)特的指令制導(dǎo)并行模式在保證代碼可維護(hù)性與跨平臺移植性的同時(shí)，大幅降低了并行化改造成本，使得非專業(yè)開發(fā)人員也能快速構(gòu)建高效并行計(jì)算環(huán)境。
圖1 本研究相較于原始POM代碼的優(yōu)勢
圖2 不同分辨率下串行和并行實(shí)現(xiàn)的運(yùn)行時(shí)間
研究團(tuán)隊(duì)下一階段將重點(diǎn)推進(jìn)三方面工作：深化POM代碼架構(gòu)優(yōu)化，構(gòu)建多GPU協(xié)同計(jì)算架構(gòu)；拓展該并行系統(tǒng)在強(qiáng)非線性海洋過程的模擬應(yīng)用；開展跨平臺硬件適配測試，全面評估OpenACC方案的擴(kuò)展性與普適性。
該研究獲得中國科學(xué)院儀器設(shè)備功能開發(fā)技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目、熱帶海洋環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研究項(xiàng)目以及國家自然科學(xué)基金的聯(lián)合資助，關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證依托南海海洋研究所超算平臺完成。
論文信息:Wang,Y.,Li,B.,Zhou,W.,Ge,Y.,2025. Parallel Princeton Ocean Model based on OpenACC. Environ. Model. Softw. 106370.
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.envsoft.2025.106370
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